Выбор низкокипящего рабочего тела по экономическим показателям для использования в тепловых двигателях

В настоящее время одним из направлений развития альтернативной энергетики является использование низкокипящих рабочих тел в различных технологических системах, такие как тепловые насосы для теплоснабжения и кондиционирования, различные тепловые двигатели по утилизации низкопотенциальной теплоты. Главным достоинством низкокипящих рабочих тел (НРТ) является возможность их адаптации к различным источникам тепловой энергии. За счет варьирования рабочего тела его можно использовать в широком диапазоне температур и давлений [1].

В соответствии с современными экологическими требованиями нельзя применять ряд хорошо изученных НРТ, например, фреоны или фторхлоруглероды, обладающие высоким потенциалом глобального потепления. В связи с этим возникает необходимость выбора оптимального НРТ не только по экологическим показателям, но и с учетом экономической составляющей.

Поэтому рассмотрим основные критерии выбора оптимального НРТ по экономическим показателям применительно для использования в современных тепловых двигателях [2]:

• 1)    Доступность. Наличие промышленного производства НРТ для обеспечения восполнения потерь рабочего тела в процессе эксплуатации;

• 2)    Рыночная стоимость. Иметь низкую стоимость исходного химического сырья и процесса получения НРТ, чтобы обеспечить снижение издержек на создание установок и повышения конкурентоспособности;

• 3)    Коррозионная активность. НРТ должно быть химически инертным по отношению к конструкционным материалам и смазочным маслам, чтобы обеспечить использование традиционных и дешевых материалов;

• 4)    Металлоемкость. Критическое давление НРТ должно быть в пределах от 3 МПа до 5 МПа, чтобы обеспечить снижение металлоемкости, толщины стенки теплообменного оборудования и трубопроводов;

• 5)    Сложность конструкции. Наличие или отсутствие дополнительных теплообменников-рекуператоров, которые усложняют конструкцию, и повышают стоимость установки.

Сравним основные экономические показатели на примере наиболее перспективных низкокипящих рабочих тел такие как сжиженный углекислый газ СО2 и пропан C3H8 (табл. 1), которые все больше находят применения в холодильных установках, тепловых насосах и тепловых двигателях [3].

Углекислый газ СО2 (R744) представляет собой негорючий естественный дешевый хладагент, который все шире используется в холодильных установках. Наиболее распространенным сырьем для производства двуокиси углерода являются дымовые газы, а природный газ считается оптимальным источником сырья [4].

Пропан C3H8 (R290) представляет собой насыщенный углеводород, который при нормальных условиях является бесцветным горючим и взрывоопасным газом, не обладающим запахом. Пропан встречается в качестве компонента в природных и попутных нефтяных газах, получается при переработке (крекинге) нефти и нефтепродуктов. В течение многих лет пропан используют в промышленных холодильных установках [5].

Таблица 1

Сравнение НРТ по экономическим показателям

Как видно из табл. 1 применение углекислого газа способствует к повышению металлоемкости (толщины стенки) из-за более высокого рабочего давления (критическое давление 7,37 МПа), что увеличивает стоимость всей установки, а в случаи применения пропана может возникнуть потребность в использовании теплообменника-рекуператора в установке теплового двигателя, что также приводит к повышению стоимости установки.

Поэтому выбор оптимального НРТ является компромиссным решением, которое определяется совокупностью всех перечисленных качеств и целевого использования тепловой установки.

Наиболее перспективным можно считать возможность синтезирования новых веществ, которые, к примеру, могли бы обладать свойствами характерные углекислому газу СО2, но при этом иметь низкие давления насыщенных паров. Примером может служить новое синтетическое вещество «Novec 649», разработанное компанией «3М», известной по брэнду «Скоч», которое является негорючим, инертным, неэлектропроводным и экологичным.